中央大學電機工程學系學位論文
國立中央大學,正常發行
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這篇論文主要是在呈獻出以軟硬體協同設計的方式時實現high efficiency advanced-audio-coding (HE-AAC) 的音訊解碼器， 基於我們複雜度的分析我們可以把這個音訊系統切個成兩個部分. 我們的軟體實現的部分為bitstream parser 和 低運算複雜度的部分， 其他高運算複雜度的地方以硬體實現，我們設計硬體的部分是以VLSI 的IP 方式呈現，在我們決定要以硬體方式實作出來的四個模組。其中IMDCT, analysis quadrature mirror filterbank (AQMF), synthesis quadrature mirror filterbank (SQMF). 這三個模組是以拆解成radix-2 FFT的方式去實現。在我們的設計之中，我們的IP有包上BUS的Wrapper和一些系統層級的實現方式. 我們以TSMC090 的製程去實現我們的設計. 我們的設計約為150K的gate count. 另外我們的IP以1.75MHz極低的運行時脈實現. 所以我們的功率消耗可以低至 7.69mw. 之後我們更進一部的將我們的IP 移植到ARM base 的開發板上可以達到即時的音樂播放. 當在ARM 系統的平台上，使用我們的IP 時可以保留ARM processor 約91.26% 的運算負載。
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先進系統晶片(SoC)具有上百個以具侵略性的隨機存取記憶體(random access memory)，然而這些隨機存取記憶體通常佔據著絕大部分矽晶片的面積，也因此系統晶片中內嵌式(embedded)記憶體的良率(yield)嚴重地影響系統晶片的良率，有效的記憶體良率提升技術是相當重要。內建自我修復電路(built-in self-repair, BISR) 廣泛地使用於系統晶片內記憶體之修復。由於大量的記憶體存在於系統晶片之中，如何有效地提升記憶體修復效率、降低測試暨修復時間、以及縮小內建自我修復電路之硬體成本皆是相當重要的議題。 在論文中第一部分提出一個高修復效率之記憶體內建自我修復界面(high-repair-efficiency BISR, HRE-BISR)，藉由重覆使用一個區域型的位元地圖(local bitmap)在正常操作模式下(normal mode)達成修復元件之功能以此方式修復更多記憶體內部之瑕疵。首先我們提出一個重覆使用區域型位元地圖達成備份位元之記憶體內建自我修復界面(HRE-BISR-SB)，搭配著一個行/列/位元之備份元件分析演算法(row/column/bit redundancy analysis algorithm)配置其內部汁備份元件。模擬結果顯示相較於傳統內建自我修復電路在各種不同的錯誤分布情況下(fault distribution)，其HRE-BISR-SB介面可額外提升0.48%~11.95%的修復效率，另一方面，一個重覆使用區域型位元地圖達成備份字組(word)之記憶體內建自我修復界面(HRE-BISR-SW)，相較於無重複使用技術的內建自我修復界面，其HRE-BISR-SW介面可額外提升0.71%~5.55%的修復效率。為了能夠有效地尋找最佳的備份元件配置的方式，因此提出一個最小備份元件尋找演算法以此搜尋最小硬體成本的配置方案。 在論文中第二部分提出一個以修復效率為基準的記憶體測試排程技術，藉此方式在一個限定測試功率之情況下縮短具有內建自我修復電路之記憶體的測試暨修復時間。因此，根據其修復效率所計算出之提早中止機率(early abort probability)，我們提出高效率測試排程演算法來達成上述目標。實驗結果顯示，所提出的高效率測試排程演算法可以縮短記憶體測試暨修復時間，以ITC’02實驗樣本(ITC’02 benchmark)為例子，相較於現存的記憶體排程演算法，本演算法可以平均降低10.7%之預估測試暨修復時間。 在論文中第三部分提出一個運用分享式記憶體內建自我修復電路於系統晶片中記液體內建自我修復電路規劃企劃(memory BISR planning framework, MBiP)，首先，在MBiP中具有記憶體群組化演算法(memory grouping algorithm)來達到挑選記憶體共享一個分享式記憶體內建自我修復電路。緊接著，依據測試排程演算法與記憶體群組演算法之結果，記憶體內建自我修復電路配置演算法(BISR scheme allocation algorithm)用於配置不同型態的分享式記憶體自我修復電路。實驗結果顯示，相較於獨立式記憶體內建自我修復電路(dedicated BISR)，針對50個記憶體在350mW測試功率與1.5mm繞線距離之限制情況下，藉由MBiP配置記憶體內建自我修復電路的硬體成本可以減少22%。最後，考量存在著不同前建結測試(pre-bond test)與後建結測試(post-bond test)下的測試功率，MBiP拓展至規畫記憶體內建自我修復電路於三維積體電路內系統晶片之記憶體。實驗結果顯示，相較於獨立式記憶體內建自我修復電路(dedicated BISR)，在500mW前建結測試功率、600mW後建結測試功率與1mm繞線距離之限制情況下，藉由MBiP配置記憶體內建自我修復電路的硬體成本可以減少35%。
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隨著數位資訊化的演進，社會對監控器的需求量也與日俱增。監視器拍攝的影像傳回監控主機端，在藉由人力監督的方式來達到其監控的目的。隨著監控攝影機數量的增加，單一人力監控數十個監控畫面的方式仍然顯得吃重、且容易因視覺疲勞遺漏重要資訊，為了達成此目的，我們讓攝影機擁有前處理的能力，在智慧監控系統中，如何在多個物件交錯時達到tracking的效果一直是個挑戰，本論文提出一個以Andes Core為基礎的系統晶片設計，主要包含Foreground detection及Connected component labeling硬體加速模組和一個Processor 的System-on-a-Programmable-Chip 智慧監控系統，利用處理器可將所取得的前景資訊做object tracking以及data compression等運算，考慮到攝影機所搭載的處理器能力，本論文提出一個低複雜度物件追蹤演算法，主要以物件外型及中心點特徵來達到連續畫面物件追蹤的能力，即使物件交會或是物件被遮蔽住亦能判斷其位置，達到追蹤的效果，此外更提出object grouping的演算法來解決當物件紋路與背景太過相近而造成的物件破碎問題，Run-length coding 壓縮技術不僅減少labeling的運算時間，更達到了平均98%的壓縮率.
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本篇論文系統性地探討了一個新穎的鍺量子點催化鄰近含矽層的氧化現象，以及其所產生的鍺量子點移動遷移行為。同時也研究了鍺量子點的內部結構、應力、光激發螢光譜線與光電特性。在此，我們提出一個矽溶入鍺量子點，再進一步擴散至量子點的尾端氧化的兩步驟機制來解釋所觀察到的鍺量子點在含矽層中移動的特殊現象。從氧化複晶矽鍺/氮化矽異質結構的實驗可知，鍺量子點的大小、形貌與空間分佈深深地受到氧化條件與鄰近區域是否有含矽層材料的存在影響。接著，透過溫度與光強度相依的光激發螢光譜線分析可知，熱應力與量子侷限效應的聯合用使鍺量子點具有準直接能隙的特性，並發出肉眼可見的螢光。 以鍺量子點為催化劑的兩階段分解與氧化含矽層的機制為基礎，我們發展了類似千層派堆疊氧化矽鍺的技術，並實作展示了一個簡單、可調控的方法來形成量子點大小均勻或漸變三維鍺量子點陣列。最後，我們也製作出了可調變偵測波長的鍺量子點金氧半光偵測器。此光偵測器的光暗電流比值與鍺量子點在閘介電層中的總體積和閘介電層的厚度息息相關。我們所製作出的鍺量子點金氧半光偵測器具有極低的暗電流(1.5×10-3 mA/cm2) 、優越的光暗電流比值(13500) 、高的光響應度(2.2 A/W) 和快的響應時間(5 ns) ，具有可直接與主流的矽基互補式金氧半電路的整合性。
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人類血清白蛋白是人類體內運送物質重要的蛋白質，並維持體內的滲透壓和緩衝血液中pH值。在健康的腎臟中，人類血清白蛋白不會排出體外到尿液中。但在某些腎臟病中，一旦腎臟出了狀況會導致尿液中出現白蛋白的成分。所以在人體尿液中的人類血清白蛋白濃度是一個診斷腎功能的一個重要指標。一般的人類血清白蛋白感測電極是由鉑或金製作而成，這些金屬非常的昂貴，而且難以製造。本研究利用網版印刷技術搭配表面粗糙化技術，建構出一種多孔指叉碳電極，用於人類血清白蛋白感測。透過在網印碳漿中均勻混合碳酸鈣(CaCO3)粉末和硬酯酸(Stearic acid)，並且以鹽酸溶解碳酸鈣粉末，在電極表面製作出許多細微孔洞，增加電極的檢測表面積，並增強其量測電流響應，以及創造羧基於電極表面上，使抗體得以固定在電極表面上。本研究利用計時伏安法(chronoamperometry)，量測電極的電化學響應。根據實驗結果顯示，電極在純系統溶液的人類血清白蛋白量測中，有著廣大的線性量測區間，為10 ~ 300 mg/L，R2=0.99812。涵蓋了人體尿液正常到微量蛋白尿的量測範圍。電極也有1.68 μA mg-1 mL的優良靈敏度。透過表面粗糙化的方法，也使電極在純系統量測下無論在靈敏度和線性區間上，相較於傳統網印碳電極，皆有所提升。電極同時在含有人類尿液中的各種干擾物質的樣本接受測試，實驗結果也顯示以計時伏安法量測的電極，受到干擾物影響造成的量測偏差皆小於5%。最後在實際的人體樣本檢驗中，和臨床的檢驗方法也有著良好的相關性，檢測濃度100 mg/L以下的HSA誤差小於16%，檢測濃度大於100 mg/L以上的HAS誤差皆小於9%。透過這種電極，提高了網印碳電極在人類血清白蛋白的感測效能，也為人類血清白蛋白診斷提供了一個更加便宜方便的選擇。
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隨著元件尺寸的遽縮，電路設計者須考量的非理想效應亦隨之增加，如電路寄生效應、製程變異、電路老化效應等等，這些效應對電路效能之影響甚為劇烈。若能在電路設計初期，即評估非理想效應對於電路效能之影響，則可降低重新設計的時間與成本。因此，本論文提出一套有效考慮非理想效應之類比電路自動化設計流程，可從電路規格產出到實際電路佈局，設計所有電晶體、電路元件參數。同時在設計階段，分別考量電路寄生效應、製程變異與電路老化效應對於電路效能之影響，有效避免設計的電路不符合電路規格之情況。 首先，本論文提出一套電路設計自動化流程，可在電路設計階段，將電路寄生效應加入考量，依據電路樣板，評估電路佈局前與佈局後的效能差異，並以此為依據，進行修正與最佳化，可避免電路效能在實際佈局後，出現不符合使用者規格之情況。 第二部分介紹本論文所提出的改良式製程變異之分析技術，可快速分析電路效能在製程變異影響下的變動程度及良率(yield)，而不需進行費時的模擬程序。結合此分析方式，所提出之最佳化流程，不僅可提升良率評估的速度及準確性，並能同時將電路面積與功耗視為最佳化之目標，如此，可確保設計之電路在擁有高良率的同時，亦保有小面積與低功耗之特性。 第三部分介紹本論文提出的階層式電路可靠度分析流程，可同時考量製程變異與電路老化之現象，結合此分析方法後，即可快速且準確地獲得製程變異與電路老化之資訊，如此，有效確保所設計之電路在一定使用時間之後，仍可符合電路規格。 由實驗結果可知，本論文所提出的電路自動化設計流程，確實可有效考慮電路非理想效應對於電路效能之影響，並且修正電路參數，以符合電路之規格，並提升設計的良率。此外，本論文提出之設計流程亦可達到較小的電路面積與功率消耗，並能依使用者之需求彈性調整目標。相信如此的方式，能幫助設計者面對深次微米製程的挑戰，並加速電路設計之流程。
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隨著現代醫學科技的進步，腦部探索成了很多學者熱門的研究主題。其中腦部造影技術包括腦電波(Electroencephalography, EEG)、腦磁波(Magnetoencephalography, MEG)、電腦斷層攝影(Computed Tomography，CT)和核磁共振(Magnetic Resonance Imaging，MRI)等，近年來更有一新興的腦部造影技術¬¬¬，近紅外光譜儀(Near-infrared spectroscopy，NIRS) 也逐漸受到許多研究團隊的重視，此項技術不但價格比MRI低廉許多，安全性高，且儀器易於攜帶，可運用於更多用途。 本研究運用近紅外光譜儀技術，分別對16位腦中風單側偏癱病人和12位正常人進行大腦運動區的實驗，實驗過程中藉由受試者進行左手與右手的大力(最大握力的百分之七十)和小力(最大握力的百分之三十)的握拳動作，分別量測四個實驗在正常人和中風病人的大腦運動區對於近紅外光譜儀的反應，進而進行分析比對。研究結果顯示大小力會影響大腦運動區的血氧變化趨勢，正常人與中風病人在進行握力動作時腦部血氧變化也有不同，也發現到復健期長短對於血氧變化有一定程度的影響。 本研究的成果顯示，近紅外光譜儀技術不同於傳統MRI的血氧濃度相依對比(Blood oxygen-level dependent, BOLD)訊號，可以得到帶氧血濃度(Oxygen hemoglobin concentration)與總血流量(total hemoglobin concentration)的資訊，將有助於研究中風患者腦部區域腦血流的反應，得到腦部功能的客觀指標，並與復健的程度進行關聯。
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呼吸器是加護病房中輔助病人進行人工呼吸，支持生命很重要的生醫儀器。呼吸器除提供人工呼吸外，會有警報的設計，目的為能及時提醒醫療人員，病人在使用呼吸器時處於異常狀態，其中最常見的氣道高壓警報，代表的是呼吸器通氣時，病人氣道有受阻的問題，但是可能的原因很多，加上每日病人臨床的問題也繁多，需要更有效率地精準地判斷與處置。當呼吸器發出高壓警報時，第一種可能原因為病人咳嗽、痰液增加之動態阻塞。第二種原因是病人的呼吸道產生靜態阻塞，如支氣管收縮所引起；或病人肺功能的改變而引起的高壓警報。而之前發展的呼吸器高壓警報提醒系統，是以呼吸道檢測機制來分辨呼吸器病人之高壓警報時，呼吸道阻塞的分類。為了能再精準地提醒醫護人員，病人是否需要抽痰的警報，因此，我們的研究目的是以量化「呼吸流量」上之震盪狀況來發展呼吸器高壓警報之智慧型輔助系統。本論文將痰液阻塞時「呼吸流量」波形中特有的「鋸齒狀」波形(在此稱為震盪現象)，加以量化。量化的步驟為先將「呼吸流量」中含「鋸齒狀」的部分切出，然後再將其部分利用曲線擬合的方式找出平滑線，最後計算「鋸齒狀」波形與平滑線的差異作為量化值。在實驗結果部分，當病人出現痰液阻塞時「呼吸流量」波形中的震盪現象就會比較明顯，所量化出的震盪值就會較高；反之震盪值就會較小。因此本文藉由這量化值，使得呼吸器的高壓警報系統可以準確地給予醫療人員其病人需要抽痰的警示，以發展出智慧型呼吸器警報系統。
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隨著半導體產業技術的演進，積體電路的元件尺寸越來越小，密度也越來越高。由於操作電壓並沒有隨著降低，造成嚴重散熱問題，為了能夠在低電壓與低功率下操作下仍然擁有好的元件特性，改以高遷移率材料作為通道材料是其中一種解決方式。在所有可能的新材料選項中，三五族化合物半導體被視為最有潛力的材料之一，而銻化物半導體具有低能隙與高遷移率的特性，特別受到矚目。然而缺乏高電洞遷移率之p型元件以及化合物半導體元件與矽基板的整合都是必須要克服的瓶頸。 為了解決上述問題，本研究聚焦於成長砷化銦/銻化鋁量子井高電子遷移率n型場效電晶體以及銻化銦鎵/銻化鋁量子井高電洞遷移率p型場效電晶體於砷化鎵基板上，再將這些結構整合在矽基板上，並製作在矽基板上之砷化銦量子井與銻化銦鎵量子井高遷移率電晶體。 藉由磊晶參數與緩衝層結構調整，此研究在砷化鎵基板上所成長的砷化銦量子井結構，最終可達到室溫下電子遷移率超過27,000 cm2/V•s；銻化銦鎵量子井之電洞遷移率則可超過1,000 cm2/V•s。為了整合這些通道特性良好的電晶體於矽基板上，此研究使用了銻化鋁/銻化鎵以及漸變式砷化鎵/銻砷化鎵/銻化鎵兩種異質結構作為起始緩衝層，並探討其對上層量子井結構特性之影響。實驗結果顯示銻化鋁可以在與矽基板的界面形成刃型差排以釋放應力，這樣的差排不會向上延伸影響量子井，然而卻有大量沿著基板傾斜方向分布的雙晶缺陷(twin)，此缺陷造成量子井的成長不均勻以及載子散射，影響元件特性，除此之外這樣的緩衝層阻值過低，造成多層磊晶平行傳導的現象，影響霍爾效應量測結果。相對地，使用組成漸變式砷化鎵/銻砷化鎵/銻化鎵結構雖然表面粗糙度沒有改善，但是卻可以將雙晶缺陷以及部分差排阻擋在銻砷化鎵/銻化鎵界面以下，使上層之量子井具有良好的載子傳輸特性，並且增加緩衝層的電阻值，抑制平行傳導現象；此研究僅用兩微米厚的緩衝層，其電子遷移率在室溫下即可以達到18,100 cm2/V•s。 類似的組成漸變式砷化鎵/銻砷化鎵/銻化鋁緩衝層也被應用在矽基板上成長高電洞遷移率銻化銦鎵量子井。實驗顯示，雙晶缺陷對於銻化銦鎵量子井電晶體的元件特性的影響並不明顯，藉由量子井成長溫度的調整，量子井的電洞遷移率可高達838 cm2/V•s，這是目前已知在矽基板上磊晶成長三五族p型通道電晶體之最高遷移率。本校辛裕明教授團隊以此磊晶片成功開發出小線寬p型通道電晶體，在0.25微米閘極長度的元件上測得最大電流密度可達81 mA/mm (VGS=-1 V and VDS=3 V)，轉導可達75 mS/mm (VGS=0.15 V，VDS=3 V)。
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本篇論文描述以低壓有機金屬化學氣相沉積法成長不同的發光二極體結構去改善氮化銦鎵量子井發光二極體中效率衰退現象，內容分為兩個主要部分: 第一部分是研究在一般c面發光二極體中不同磊晶結構對效率衰退現象的影響，第二部分則是開發半極化發光二極體的磊晶與製程技術，以實現效率衰退現象不明顯的發光二極體。 利用氮化鋁鎵/氮化鎵/氮化銦鎵層插入在量子井下方增加電流散佈，並經由實驗的結果討論電流散佈和效率衰退的關係。由模擬的結果顯示，在氮化銦鎵發光二極體結構中加入一層n型氮化鋁鎵/氮化鎵/氮化銦鎵的電流散佈層於量子井的下方，會比使用n型氮化鋁鎵/氮化鎵和n型氮化鎵/氮化銦鎵兩種結構產生較高的電子濃度，因此此n型電流擴散層可以減緩電流聚集並提升外部量子效率，實驗結果也證實整個LED的發光均勻度更加改善，在350 mA的情況下，外部量子效率以及功率轉換效率可以分別提升18.2 % 和22.2%；而效率衰退在46 A/cm2下，則可以從20.9%改善至12.5%。 本研究亦設計一個氮化銦鎵的預先插入層經由三甲基銦處理後，降低量子井中銦含量的自聚的實驗，用以探討量子井中銦含量波動對效率衰退的影響。這實驗是以氮化銦鎵(In0.03Ga0.97N)/氮化銦鎵(In0.13Ga0.87N)/氮化鎵的複合式量子井為主體，利用三甲基銦處理氮化銦鎵(In0.03Ga0.97N)/氮化銦鎵(In0.13Ga0.87N)的介面，預期可以減緩發光二極體中的效率衰退。經由表面點缺陷密度、X光繞射、倒晶格空間圖及光激螢光等量測分析結果顯示，此方法降低了銦的自聚使得效率衰退效應減少，並且不會犧牲外部量子效率。與標準結構比較，在大面積的發光二極體中外部量子效率衰退點可以從44 A/cm2移至86 A/cm2，而效率衰退在176 A/cm2下則可以從13.7%改善至5.5%。 為了降低電子溢流情形，本論文提出將一p型氮化鎵插入層加在最後一個位障層和p型氮化鋁鎵之間，經由模擬顯示，此結構除了可以增加輸出功率還可以改善效率衰退。實驗結果顯示，發光二極體外部量子效率在25 A/cm2下可以提升12.8 %，其效率衰退的趨勢與模擬結果相當符合。 本研究開發出一種利用現場沉積SiNx遮罩形成自組式雙層島狀氮化鎵緩衝層的技術，可以降低磊晶層差排密度至少至原來的三分之一，因此亦可用以探討差排密度對效率衰退的影響。此實驗是在成長氮化鎵於矽基板上進行的，成長過程中插入適當的氮化矽薄層，即可形成雙層島狀結構，此結構可以有效地降低缺陷密度從9.6×109 cm-2到2.6×109 cm-2，利用穿透式電子顯微鏡的觀察結果，本論文亦提出此雙層島狀結構形成的機制及減少差排的原因。實驗結果顯示，將氮化銦鎵發光二極體成長在雙層島狀結構上，可以改善27%的外部量子效率，而效率衰退在100 A/cm2下則可以從52.1%改善至10.8%。根據變溫光激螢光量測結果推測，差排降低會減少量子井中的銦簇集現象，故可改善效率衰退效應。 本論文的第二部分敘述開發矽基板上成長半極化（1-101）發光二極體技術的過程，並探討此類發光二極體之效率衰退情形。所開發的技術可在有V行凹槽的7°傾斜的（100）矽基板上獲得高品質的半極化（1-101）氮化鎵，實驗結果顯示，1.2 m厚的半極化氮化鎵之表面粗糙度為 0.3 nm，X光繞射量測的(101) and (002)搖擺曲線半高寬分別為523和581 arcsec。在多條紋半極化發光二極體結構上所測得的光譜半高寬為35.9 nm，在350 mA操作時，此半極化發光二極體幾乎沒有效率衰退現象。